科学事实是科学认识的最初成果，它是科学认识形成的基础，也是建构科学大厦的地基和原料。但是，科学事实不是某种现成的既有的东西，而是科学工作者在科学活动中通过一定的途径和方式获得的。获取科学事实最基本、最普遍的方法是科学观察和科学实验。
一、获取科学事实的方法
1.科学事实的含义
事实概念在科学认识论中一向被重视。在科学认识中，事实常常在两种意义上使用。一是在本体论意义上使用的，即把客观实在的现象、事件、事物本身称做事实，科学方法论中常常标明为“事实1”，也就是通常说的客观事实。客观事实在人们的意识之外，不依赖人们的意识而独立存在，没有正确与错误之分，具有客观性。在科学研究中，它构成观察和实验的对象。二是在认识论意义上使用的，是指人们关于事物的比较直接、比较确实的知识，是对被认识的事件和现象的某种经验陈述或判断，科学方法论中把它标明为“事实2”，也就是通常所说的科学事实。
科学事实作为对客观事实的感知、描述与记录，属于认识论范畴，因此，它既受认识客体（客观事实）性质的制约，又受到认识主体能力及所设置的认识条件的制约。科学事实与客观事实具有一定的同一性，科学事实的价值，就是奠基于这种同一性和客观性之上的。但对科学事实的客观性不能绝对化，以至于把科学事实混同于客观事实。科学事实的内容是客观的，形式却是主观的。这是由人类认识的复杂性决定的。人的感官感觉能力的局限性，仪器测量的误差，必然使科学事实对客观事实的反映和概括，只具有相对的准确性。作为人类认识的产物，可以因为认识条件设置的合理而描述为精确的科学事实；也可以因为认识条件设置的不合理而描述为粗糙的、乃至歪曲的经验事实。只有经过科学鉴定的经验事实才是科学事实。
2.科学事实的基本特征
科学事实是通过观察和实验等实践活动所获得的经过科学整理和鉴定的经验事实，是对观察到的现象和过程的相对客观的描述。它同客观事实、经验事实和科学理论相比具有如下基本特征：
（1）个别陈述性
科学事实是一个具有经验性的特殊陈述。例如，“铀具有放射性”、“氩具有化学惰性”、“电子具有波动性”等均为科学事实。而“整个宇宙都在膨胀着”、“所有微观客体都具有波粒二象性”等之类的普遍性陈述，则不被看成科学事实，而是基于科学事实之上的理论推断。强调科学事实的个别性，是为了突出它主要来自感性物质活动，而不是主要来自理性抽象活动。
（2）可复核、可重复性
科学事实作为科学知识的原始成分的事实，它被要求具有很高的可靠性。而判明科学事实可靠性的重要标准，就是它的可重复性。只有经受了反复的检验之后，某种事实才会被科学共同体乃至科学界承认，从而进入科学事实的范畴。如果一个事实根本无法复核并重现，那就无法成为科学事实。例如，3°K宇宙背景辐射，在20世纪60年代被美国贝尔实验室的科学家发现之后，迅速得到其他研究者的证实，很快被确认为一种科学事实。而1959年美国物理学家韦伯宣布直接收到从银河系一天体发出的引力辐射，由于在世界上十几个实验室里都未能被重复，因而也就未被科学界所承认。强调科学事实的可重复性，是为了尽可能排除错觉和假象，消除对事实描述和判断中可能存在的谬误。
（3）精确性和系统性
科学事实是经过检验的真实的经验事实，应该比较精确、系统。例如，法国昆虫学家法布尔，为了揭示昆虫世界的奥秘，对400多种昆虫的生活习性进行了长期细致的观察，获得了大量精确、完整、系统的第一手材料，最终完成了16卷的科学巨著《昆虫论》。
（4）科学事实渗透理论
由于科学事实是对研究对象的认识和概括，科学事实的形成会不同程度地受到理论因素的影响。
3.科学事实在科学研究中的作用
科学事实的基本特征决定了科学事实的作用。
（1）科学事实是形成新概念、新理论的基础。恩格斯说过：“不论在自然科学或历史科学的领域中，都必须从已有的事实出发。”（1）不论科学概念或科学理论是通过何种方式形成的，都离不开一定的科学事实。即使是很深奥、很抽象的概念和理论，也是在一定的科学事实的基础上提出来的。例如，如果没有黑体辐射、光电效应之类的科学事实，量子力学的概念和理论就难以建立起来。同样，如果没有贝纳德花样、化学振荡、激光之类的实验事实，自组织理论的概念和模式也难以建立起来。虽然这绝不意味着每个科学概念或每种科学理论都必须直接来源于科学事实，但是概念和理论归根结底需要以科学事实为基础却是无疑的。
（2）科学事实是对科学假说和科学理论进行评价的基本手段。科学假说和科学理论的正确性和有效性，主要是通过与科学事实相比照而进行评价的。假说或理论中包括着对事物本质的猜测，这种猜测具有抽象性和普遍性，是无法直接验证的。因此，需要由假说或理论中演绎出若干可以直接检验的具体推论，然后与观察实验所得的科学事实进行比照。一般地说，假说或理论的推论与科学事实相一致，即获得确证；不一致，则遭反驳。
4.获取科学事实的基本方法——科学观察与科学实验
（1）科学观察及其类型
科学观察，又称观察方法，是人们在一定的理论思维指导下，通过感官或借助科学仪器，在自然发生的条件下有目的、有计划地感知研究对象，从而获得科学事实的一种研究方法。它是科学研究中最基本、最常用的获取感性材料的方法。科学观察有两个最主要的特点：感知性和目的性。一方面，科学观察是一种感性认识活动，是人脑对外部世界的直接反映。应当指出的是，观察是对处于自然状态下的事物现象进行的观察，即观察者在对观察对象不做任何变革的情况下所进行的观察。另一方面，科学观察又不像日常观察那样大多是随意地、消极地接受外界对感官的刺激，而是出于特定的科学研究需要进行的有计划、有步骤的认识活动。
从不同角度可以对科学观察进行不同的分类：
其一，根据人们获取观察对象信息的要求不同，可以有定性观察和定量观察之分。定性观察主要考察自然事物的某种特征以及事物之间的某种联系。通过定性观察能够回答“是不是”、“是什么”之类的问题。定量观察是指人们为了获得观察对象量的规定性而进行的观察，它能够对观察对象的特征进行数量上的反映和描述，使观察事实的可靠性和观察陈述的可检验性得到提高。科学研究中的精确、严密的科学定律的建立，无不依赖于定量观察。定量观察需要借助观察工具才能进行，一般以间接观察居多。
其二，按照观察过程中观察主体和观察客体之间是否存在仪器中介，可将观察分为直接观察和间接观察。所谓直接观察，就是凭借人的感觉器官直接进行的观察。换言之，观察者和观察对象之间不存在任何中介物。在直接观察中，人们通常依靠移动观察点、转换背景、延长观察时间以及增加观察次数等办法，来改善观察效果。它具有简单、方便、较少客观条件限制等优点。但是由于人的感知能力是有限的，这就使直接观察在范围、速度、准确性等方面存在不可避免的局限。观察仪器的介入，使科学观察转化为间接观察。观察者通过观察仪器，间接地感知被观察事物的信息，放大了人的观察范围，提高了观察的精确性和观察的速度，还能克服人的感官带来的某种错觉，表现出明显的优越性。利用观察仪器，在微观领域，观察者能够直接看到单个分子乃至单个重原子的形象；在宇观领域，可以观察到100亿光年以外的天体。近年来，随着科学仪器的进一步发展，出现了许多通过观测仪器而观察者又不在现场的观察，等等。
此外，从观察者是否参与所观察的现象和过程来分，可分为参与性观察和非参与性观察；从操作过程分析，科学观察又可分为扰动性观察和非扰动性观察等。
（2）科学观察的基本原则
为了提高观察的效率和保证观察材料的准确性，观察者在观察中应当遵循以下基本原则：
其一，客观性原则。所谓客观性原则，就是要求观察者按研究对象的本来面目去观察它和反映它，而不能用主观愿望代替客观事实。这也是坚持唯物主义认识路线的必然要求。观察的客观性是科学观察力求达到的首要的基本的目的。一般来说，观察的客观性可通过可重复性来保证，即任何观察到的事物、现象，必须在同样条件下满足可重复观察的原则，否则就要考虑观察到的结论是否可靠了。为了保持观察的客观性：首先，要避免先入为主的成见，避免把某种假定或预想凝固化、僵化。人们在科学观察的过程中，总是难免有某种假说的指引，并对可能出现的观察结果抱有预想。通过观察所得到的实际结果，既可能与原假设大体一致，又可能很不相同。在后一种情况下，研究者就必须放弃原来的设想或修正已有的假说，使自己的观念同科学事实一致。但由于观察者自觉或不自觉地偏爱某种假说，过分相信自己的预料，往往只容易敏感到“有利于”自己假说的现象，而忽视“出乎意料”的现象，从而使观察陷入主观性，影响了观察的客观性。其次，要排除假象和错觉的干扰。假象也是事物本身所表现出来的一种现象，但却给人一种同事物本质不符的印象，甚至导致错觉。错觉也是观察的主观性失误。
其二，全面性原则。所谓全面性原则，就是要求人们在观察中要全方位、多角度地把握客观对象的各种关系、各种规定性和各种表现形态，力求获得丰富而完整的科学事实，客观地反映事物的全貌。客观事物是由众多要素构成的系统整体，而事物的性质是在系统整体联系中体现出来的。科学观察要力求系统、完整，如果割裂观察的系统性和完整性，就不能揭示事物变化的规律性。科学史上，由于观察的片面性而导致不同学派或不同见解之间的争论的实例是很多的。如关于岩石成因的“水成说”与“火成说”之争；关于光的本质的“微粒说”与“波动说”之争等等，都是由于争论的双方都只看到事物的某个方面，以偏概全，各执一端所造成的。
其三，典型性原则。客观事物是复杂多样、不可能一一穷尽的，在对同一类事物进行观察时，要选择具有能代表同一类事物共同特征的典型事物进行观察，这样做既简单易行，又能更好地揭示事物的本质和规律性。例如，著名遗传学家摩尔根为了研究生物的遗传规律，他选择了果蝇作为观察对象，果蝇的染色体简单，每个细胞只有四对，易于观察。果蝇的生活周期短，约为两周，且繁殖能力很强，每对亲体可以产生上百乃至上千个子代，在子代中会有许多遗传变异现象可供观察，摩尔根抓住果蝇上述特征，以果蝇为对象进行研究，创立了遗传学中的基因学说，推动了生物学的发展。
（3）科学观察的作用和局限性
观察方法在科学研究中有重要作用。其一，它可为科学假说的提出和科学理论的形成提供第一手原始材料；其二，观察可为验证科学假说和科学理论提供事实根据；其三，观察还可以导致新的技术发明，仿生学的研究和应用就是在对某些生物进行精细的科学观察的基础上产生的。
尽管观察方法在科学研究中有重要作用，但由于观察在相当程度上依赖于人的感觉器官，观察范围、观察的精确度和观察的速度等方面都有一定的局限性。即使运用观察仪器进行观察，观察者若不去主动干预和控制观察对象，那么观察对象的许多属性、特性也不会自动显示在观察仪器上，因而观察还是有一定局限性的。恩格斯说：“单凭观察所得的经验，是决不能充分证明必然性的。”（2）
（4）科学实验及其分类
实验方法是认识主体根据一定的科学研究目的、运用一定的物质手段（科学仪器和设备）、在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实的方法。
实验与观察一样，都是获取科学事实的基本方法。在现代科学研究中，二者联系得越来越紧密，表现出某种一体化趋势。不过，与科学观察相比，科学实验是在人工创造的条件下，在变革和控制研究对象的过程中去观察客体的，因此，它比观察方法能获得更精确可靠的科学事实。科学实验是主动地从自然现象中索取人们所期望的东西，而观察主要是搜集自然现象所提供的东西。也就是说，实验中的自然现象主要是人为创造的，而观察中的自然现象是大自然恩赐的。
实验作为一种科学研究方法经历了漫长的发展过程。随着人们认识自然界的范围不断扩大，层次不断深入，实验方法本身也发生了深刻变化。实验规模不断扩大，实验手段不断更新，实验水平越来越高，实验的种类也越来越多。人们依据不同的分类标准，可将实验划分为许多不同的类型：
其一，定性实验和定量实验。这是依据测量手段的不同而划分的。定性实验是揭示或判定实验对象是否具有某种属性或因素的实验，如迈克耳逊—莫雷否定“以太”存在的实验，赫兹验证电磁波存在的实验等。定量实验是可以精确测定实际对象的某些量值的实验，如焦耳关于热功当量的实验，斐索测定光速的实验等。
其二，探索性实验和验证性实验。这是根据实验目的的不同而划分的。所谓探索性实验，就是根据实验目的利用已知的外加因素去干扰研究对象，看它会产生什么结果而安排的实验。其中包括由已知结果去寻找原因的所谓析因实验。所谓验证性实验，是指实验者为了检验某一科学假说或理论是否与可观察到的科学事实相符，即是否具有真理性而安排的实验。其中包括可以对某一假说进行裁决的所谓判决性实验。
其三，直接实验和模拟实验。这是依据实验手段和研究对象之间的关系划分的。所谓直接实验，是指实验手段直接施加于研究对象以获取有关信息的实验。模拟实验，则是根据相似原理，实验者先设计出反应对象属性的模型，然后用实验手段作用于模型，将模型实验的结果推到原型上去，从而达到了解原型的性质和规律的实验。模拟实验是一种间接实验。它又可以分为物理模拟、数学模拟和功能模拟。物理模拟是根据相似理论，构造出与对象相似的物理模型，通过模拟实验了解原型变化的物理过程；数学模拟是在原型与模型之间在数学方程或数学模型相似的基础上，通过计算机求解来研究对象性质的一种模拟方法；功能模拟是以控制论为理论基础、以功能相似为目标的模拟实验，已在现代科技研究中起着重要作用。
上述实验类型是主要或基本实验类型。根据不同的研究目的，人们还可以把实验划分为其他类型，如纯粹实验和中间实验、地面实验和空间实验、初步实验和正式实验等。需要指出的是，不同的实验类型并没有固定的、绝对的界限，相反，在大多数情况下不同类型的实验之间是相互渗透、相互交叉的。
（5）实验方法的特点和作用
实验方法的产生，是科学方法史上一次重大突破，它使自然科学的发展进入新的阶段。实验作为专门从事创造精神财富的实践活动，作为人类认识自然、探索自然界奥秘的一种科学方法，有着与生产实践活动和观察方法不同的特点。
首先，实验方法可以简化和纯化研究对象。自然界中的任何一个自然事物，不仅自身表现出各种各样相互交织的现象，而且还同周围环境相互作用、相互影响。因而，单凭观察方法很难揭示各种现象之间的本质联系。实验方法却能将对象置于严格控制条件下，把自然过程加以简化和纯化，排除各种偶然、次要因素和外界的干扰，使对象的某种属性或联系以纯粹的形式呈现出来。
其次，实验方法可以强化研究对象，使之处于极端的状态。自然界中的许多事物和过程常常处于某种稳定状态，不易暴露其本质和规律。然而事物的许多本质和规律只有在某种特殊的极端状态下才显示出来。因此，我们可以通过实验来创造自然界中通常不可能出现，在生产过程中又难以实现的特殊条件，如超高温、超低温、超高压、超低压、超真空、超强磁场等，以发现研究对象在这些极端状态下的本质和规律。
再次，实验可以延缓、加速或再现自然过程。在自然条件下发生的现象，有的转瞬即逝，有的旷日持久，有的细小入微，有的规模巨大，有的则事过境迁。这些现象对人类的认知而言，其过程的变化不是太快、就是太慢。有些现象甚至出现过一次就再也不会重复，这样一来，就给人类研究、认识这些现象造成极大的困难。在这种情况下，人们就可以根据研究目的的需要，在实验室中通过人为控制的方法加速、延缓或再现所要研究的自然过程，从而获得有关的信息。例如，在自然条件下，仅凭肉眼的观察根本无法严格验证自由落体定律，但在实验室中我们可以先通过高速摄像机拍下自由落体的运动过程，然后再慢速放像，就可以清楚地看到自由落体的速度随下落时间逐渐加快的现象，而且还可以精确测出下落距离和速度与下落时间之间的定量关系。再如，人们为了研究地球气象的变化，可以进行大气模拟实验。它可将距地面几万米的整个大气层的运动在实验室中模拟出来，大气环流模拟的转台，每半小时左右转一圈就能模拟一天气候的变化，三个小时可以模拟一年气候的变化。诸如此类，不一而足。
最后，实验方法作为人类认识自然的一种手段，比较经济、可靠、便捷。人类对自然界的认识是一种不断探索、反复实践的过程，往往要经历多次挫折和失败后才能获得成功。而实验方法与生产实践相比，规模较小，周期较短，费用也少，因此即使失败多次，损失也不会太大。而且实验对周围环境及人身安全的影响比实际生产更易于控制，这既有利于提高人类认识自然的可靠性，同时也减小了人类在实践过程中的危险性。
实验方法的特点，决定了它在科学发展中的地位和作用。
其一，历史上实验方法是近代自然科学从古代自然哲学体系中独立出来的催化剂。
其二，今天实验方法已成为推动科技进步的最主要因素。实验设备和技术的先进程度已成为一个国家的科学技术水平、生产能力和综合国力的一种标志。
其三，实验方法渗透到科学内容中，与之相结合，形成新的交叉学科或为学科的新的研究方向开辟道路。
二、观察和实验中的机遇
1.机遇的含义及其特点
观察和实验是一种有目的、有计划地探索自然界奥秘的实践活动，由于受研究者理论的指导，因此在通常情况下，观察和实验结果是可以预料的。然而，有时在观察和实验过程中会出现一些意想不到的新现象，从而导致科学上的重大发现和突破。
我们把这种由于偶然事件而导致科学上重大发现和突破的现象称之为机遇。也就是说，在自然科学的研究中，所谓机遇，是指人们在有计划地进行观察、实验及其他研究工作中，由于某种偶然的机会，遇到或发现某些出乎预料的自然现象。
机遇有两个特点：一是从主观和客观的关系来看，机遇属于意外性；二是从偶然性和必然性的关系来看，机遇具有偶发性。机遇的出现是人们无法预料的。因此，我们从事科学研究要有组织、有目的、有计划地进行，而不能指望偶然的机遇或靠碰运气去发现真理。只能是在研究工作中，注意留心意外事件，提高自己的洞察力和判断力，一旦机遇出现，就能及时地发现它、识别它并捕捉它，加以认真研究，这样才能取得成功。
2.机遇的类型
按照与科学问题关系的不同，机遇可以分为三类：
（1）期望型。与研究问题有关，促成了问题的解决。观察者在研究工作中发现部分意外的情况，即按原定的目标进行试验，只是机遇出现的场合或解决问题的方式是意外的。美国的橡胶专家古德意尔发明橡胶硫化技术，就属于这种类型的机遇。
（2）意外型。与观察者正在研究的问题无直接关系，但与其他科学问题有联系。观察者在科学研究工作中发现了全部意外的情况，即意外地发现了与原定的研究计划和目标完全不同的自然现象或自然事物。英国17岁的大学生柏琴原来在德国老师霍夫曼指导下，试验从煤焦油里提炼奎宁，结果失败了，却意外地得到了一种棕色黏液，探索、研究的结果，发明了苯胺紫，从而开创了人工合成染料的新纪元。这一事例就是这种机遇的生动体现。
（3）线索型。观察者在科学研究中发现并提供了新问题的线索，如伽利略发明望远镜、弗莱明发现青霉素、伦琴发现X射线等。
3.机遇在科学研究中的作用
机遇在科学研究中有着重要的作用，简而言之，它可以为科学研究和科学技术的发展提供先导、线索、生长点。机遇的出现，并不能真正直接解决问题，但思维敏捷、富有创造素养的科研工作者，却能够及时识别、捕捉机遇并追踪下去，作出科学的发现或技术的发明。可以将机遇在科学认识中的作用归纳为以下几点：
（1）机遇为科学上的发现和技术上的发明提供先导。由于机遇提供的先导，可以启发人们追究机遇所隐含的大自然的新信息，这就常常会导致科学上的发现。
（2）机遇为科学上的发现和技术上的发明提供线索。由于机遇提供的线索，往往可以在技术上作出重大发明。18世纪英国的普通木工和织布工人詹姆斯·哈格里沃斯发明珍妮纺纱机就是一个典型的例子。1928年英国细菌学家弗莱明发明青霉素，1911年荷兰物理学家卡麦斯·翁纳斯发现超导现象等等，这些科学史实都能较好地说明机遇的这种作用。
（3）机遇为科学上的发现和技术上的发明提供生长点。机遇提供的生长点，总是启发人们深入研究下去，这些新的生长点往往成为新的研究领域。例如，伽伐尼、拉法第等人利用机遇提供的线索，探索试验研究，开辟了电磁学研究的新领域，为全部电工学奠定了基础，并导致电动机和发电机的发明。在这里，机遇为电磁理论及电工、电子技术的发展提供了生长点。
4.机遇产生的根源
机遇是偶然的、意外的，然而并不是神秘的、虚幻的。它的产生有其客观的和认识论的根源。
（1）机遇产生的客观根源。在客观世界中，一切事物的变化发展过程都是必然性与偶然性的统一。偶然性离不开必然性，必然性要通过偶然性表现出来。没有脱离必然的纯粹偶然，也没有脱离偶然的纯粹必然。偶然与必然之间具有不可分割性。X射线在某次试验中被伦琴发现这是偶然的，但它作为一种客观存在的事物迟早要被人们认识这是必然的。
（2）机遇产生的认识论根源。科学研究是一项复杂的认识活动。科学的观察、实验是在一定的理论指导下进行的，由于人的认识的理论前提的局限性，决定了对科学研究过程的预想只能是片面的，而客观事物是由多种因素交织在一起的，在观察、实验中出现了人们未曾意料到的一些现象就不足为奇了。问题在于人们能否及时发现并加以利用。
5.捕捉机遇的基本条件
（1）捕捉机遇的客观条件。所谓客观条件，是指社会给人们提供所必需的各种外部因素或条件，其中包括社会生产、科学发展、物质文化生活的需要，等等。社会的需要是科学发现的源泉，而科学发展水平、技术条件，则是科学发现的理论前提和物质基础。
（2）捕捉机遇的主观条件。所谓主观条件，就是科学工作者捕捉机遇必须具有的科学素养和理论思维能力。法国生物学家巴斯德曾经说过：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”（3）那么，科技工作者要使自己的头脑成为“有准备的头脑”，要想捕捉机遇，必须具备以下四个条件：
首先，投身科学实践活动之中，留心意外之事。任何成功都是勤奋加机遇的结果。机遇作为一种机会不是坐等而来的，要在投身科学实验等活动中去捕捉。在观察中，既要留心意内之事，努力寻找预定的目标，又要勤于观察，留心意外之事。机遇的发现不是独立自在的探索方式，没有纯粹为了“意外”而从事的科学观察和科学实验。另外，“有准备的头脑”不是从天上掉下来的，也不是先天就有的，而是在后天的实践中学习和锻炼出来的。
其次，要有较好的哲学理论修养和敏锐的洞察力。发现、识别、捕捉及追究机遇，需要有正确的世界观和科学方法论的指导，这是一个人富有敏锐洞察力和捕捉机遇的哲学基础。我们要培养和锻炼自己的理性思维，使之具有较好的批判能力和高度的判断力。思想僵化，因循守旧，或受权威者的结论束缚，就很难注意到意外事件。如果是这样的头脑，即使机遇就在眼皮底下，也难以察觉。任何时候，保持对机遇的高度敏感，应当是一个科学技术工作者必备的基本素质。对待机遇的麻木，也就意味着对科学创新的迟钝。
再次，要有必要的知识储备和敏捷的判断力。大量丰富的科学理论和技术知识以及实践经验的储备，这是发现、识别、捕捉及追究机遇的知识基础。只有在实践中长期苦心钻研、具有广博知识、造诣较深的人，才能在错综复杂的事物中具有敏捷的判断力，能够揭示出事物的内在秘密，发现一般人所不能见到的东西。历史上望远镜的发明就能说明必要的知识储备对直觉机遇的重要性。另外，这种知识的储备还表现为方法的灵活多样化，要有多路思考和多途径探索的方法。这关系到能否及时发现、识别、捕捉和追究隐藏在机遇中的必然性的速度问题。
最后，要有丰富的想象力。机遇仅仅显示一点自然信息，提供了一定的线索或某种启示，我们要追踪隐藏在机遇中的本质，得到新的科学发现或技术发明，就必须要借助于丰富的想象力。丰富的想象力是发现、识别、捕捉和追究科学研究中的机遇所不可缺少的条件。
三、观察与理论的关系问题
观察和实验作为两种获取感性材料的基本方法，一直是科学哲学的主要研究对象之一，也是科学方法研究的基础，同时，观察和实验方法中蕴涵着相当丰富和深刻的科学认识论问题，值得深入探讨，其中观察与理论的关系问题是科学认识论的核心问题之一。观察与理论的关系随着科学的发展而不断发展，观察与理论之间是理论先于观察、观察先于理论，还是观察与理论双向渗透，历史上不同的科学哲学学派给出了不同的答案。
1.几种主要观点
（1）“纯粹观察说”
古典经验主义提出了对近代科学认识活动产生深刻影响的“纯粹观察说”，代表人物有英国的经验论者培根和洛克。他们认为，观察是一种纯粹的感官反应活动，不受任何理论的影响。观察过程就是人们对客体的感觉过程。洛克认为人类所有的思想和观念都来自或反映了人类的感官经验。他抛弃了笛卡尔等人的“天赋观念说”，而认为人的心灵开始时就像一张白纸，而向它提供精神内容的是经验。培根与洛克持相同的观点，认为凡事必有原因，科学始于观察，观察是客观的，观察是科学理论形成和发展的绝对可靠的基础。
古典经验主义观察说的形成有其必然的原因，经验主义把人类的知识限定在经验所能达到的范围之内，排斥了许多传统哲学的形而上学命题，而强调其哲学应以实证自然科学为基础，从而成为科学的认识论和方法论。“纯粹观察说”实质上是把观察过程等同纯粹的生理反应过程，即把观察者对事物的反映类似于镜面对物体的物理成像，是一种“镜式”反映。“纯粹观察说”强调事实的客观性，而没有看到认识主体的“先见”对事实的建构作用。“纯粹观察说的出现是与近代自然科学早期的低级科学水平相适应的。”（4）
（2）“中性观察说”
现代逻辑经验主义继承和发展了“纯粹观察说”，提出了“中性观察说”，代表人物是美国哲学家卡尔纳普。卡尔纳普提出了科学理论结构的“两层语言模型”，其下层是关于观察事实的陈述（单称命题），其上层是关于理论的陈述（全称命题），人们通过对应规则将上述两者联系起来，这个对应规则是一个将理论术语与可观察术语联系起来的规则集合，其作用就是把经验内容由观察平面输送给理论术语，从而保证理论术语的认识论意义。对应规则于完整的科学理论的不可或缺，显示了理论术语的意义对观察术语的依赖性和观察术语定义的完全稳定中立性。在卡尔纳普看来，观察语言作为一种“得到直接的完全解释”的语言，其客观性是自明的。理论语言正是通过逻辑与观察语言相联系而获得“意义”或者说“得到部分解释”，才获得了客观性、获得合理性，否则理论语言将只能是一些无意义的“符号”，无所谓客观性和合理性。
卡尔纳普对理论的归纳评价的这种观点与他奠基于其“意义”概念之上的理论结构的观点是一致的。理论是一形式演算系统；观察语言是“得到完全解释的”，是理论语言的语义基础。所以，卡尔纳普的“中性观察说”是服务于他的逻辑分析的，是逻辑经验主义所必然产生的结论，有一定的合理性。但是，“中性观察说”与科学的实践是不相符的。正如有的学者指出的那样，“把观察术语与理论术语严格区格存分存在着很大的困难。在观察某物之前，必须先明确究竟注意该物的哪些方面，而这取决于我的知识和我关心的是什么，观察和理论是互相渗透的。”（5）“所谓的‘中性观察’是根本不存在的，一切观察不仅不自觉地渗透了理论，而且，科学的观察正是要求自觉地受到理论的指导”，“任何完全独立于理论的‘中立观察语言’是不存在的，任何观察陈述都程度不同地渗透着理论的因素。所以，观察陈述并不能像逻辑经验主义者所设想的那样，通过观察陈述来给理论提供绝对可靠的基础。”（6）
（3）“理论先于观察说”
在反归纳主义的基础上，英国科学哲学家波普尔提出了一个令人震惊的观点：理论先于观察。近代科学的全部成就似乎就是观察的结果，对观察进行归纳的结果。到了20世纪，科学技术有了飞速的发展。1919年的日食观测，证实了爱因斯坦的广义相对论预言。这件事似乎不是从观察事实归纳出理论来，而正好相反它是从理论推演出没有这种理论几乎就想不到的新的事实来。在这样的历史条件下，波普尔提出“理论先于观察”的观点才格外引人注目。波普尔认为，知识不能从一无所有开始，即不能从“心灵白板”开始，也不能从观察开始。在他看来，近代物理学的理论，特别是爱因斯坦的理论是一种高度思辨、高度抽象的理论，它们与所谓的“观察基础”相去甚远。他曾说过，“理论不是始于观察”（7），他认为人们的观察总是具有一定的目的性和选择性，先有理论后有观察。
波普尔提出“理论先于观察”是特定历史时期的产物，也是他证伪主义视角下必然触及的问题，强调观察的目的性和选择性，有一定的合理性。但是，他自己所倡导的证伪主义，与证实主义一样，在逻辑上同样需要观察作为基础，没有这个观察基础，证伪主义纲领也是根本无法贯彻的。波普尔的错误在于：他没有认识到，理论的来源问题和基础问题并不完全是同一个问题。他的观点是一种“先验论”的观点。虽然观察有一定的目的性和选择性，但不能因而就否认观察对象的客观性。人的认识的能动性，是受物质世界客观性制约的。如果把观察的目的性和选择性看成是不受任何束缚，这样的观察决不是科学的观察。
（4）“观察渗透理论说”
1958年美国科学哲学家汉森在《发现的模式》一书中提出“观察渗透理论”的观点。他认为观察不仅仅是生理反应的过程，还有多种因素的参与。我们经常见到的人像酒杯图形，有人说是两个对视的侧面人像，有人认为这是一只高脚酒杯。事实上图形是不变的，变化的是人对视觉材料的组织方式以及人的“先见”知识。“一旦观察者的理论观点发生了变化，这种变化就会向观察过程渗透，使观察者的视野发生相应的变化，看到以前所看不到的东西。”（8）可见，观察不是纯粹的客观过程，尽管面对同一客观对象，但是，由于观察者的背景知识不同，其观察陈述必然不同，因而经验事实将发生差异。“一个范式的观察者，不是那种只能看普通观察者之所看，只能报告普通观察者之所报告的人，而是那种能在熟悉的对象中看见别人前所未见的东西的人。”（9）奥裔美籍科学哲学家费耶阿本德则把“观察渗透理论”的观点推向极端，认为由于理论的影响，对同一个事实在不同背景理论的指导下可以得出不同的观察结果，因此高层背景理论决定观察结果。观察事实是否真正支持一个理论，不是由事实本身的“确凿性”来决定的，而是受理论特别是受决定评价者世界观和自然观的那种“高层背景理论”所决定的。
汉森的观点强调经验的产生对于理论是强烈依赖的，有一定的合理性。“任何人对事物的观察都是与许多背景知识不仅包括明显的科学理论，而且还包括科学信息、文化传统、意识形态等等，在科学观察中则表现为科学思维风格对观察的选择和理解作用。”（10）费耶阿本德从逻辑经验主义那种静态的、封闭的科学观中走了出来，充分肯定了理论巨大的能动作用和思维主体活动的积极性、主动性和开放性。不过，费耶阿本德从根本上否定了观察的客观性，对于观察可提供客观知识问题作了轻率的否定。“他们认为，所有这类概念都完全依赖于理论根据这种极端的观点，他们使不同的基本理论之间‘不可通约’，不可比较，而且他们也没法说明这样的事实，即不同的理论在许多情况下的确表现了科学发展中的连续性。”（11）
（5）“观察与理论双向渗透说”
通过对历史上关于观察与理论的关系的分析，美国新历史主义学派的代表人物夏佩尔则认为观察与理论完全不可分，靠观察检验理论是完全不可能的。夏佩尔指出观察与理论的硬性划分，直接导致了本体论问题。观察与理论的硬性区分产生了一系列的假问题，是不可取的。“把观察与理论的区分看成相当于存在和非存在区分，总是过于轻率了”，观察与理论的区分演变只是使本体论地位问题越来越糟糕”，所以，人们必定怀疑，一个至少在某种程度上以这些观点为背景而产生的问题至少在这种程度上不是一个真正的问题，相反，至少在某种程度上很可能是一个假问题”。进而，夏佩尔指出，要彻底地重新考察本体论问题，重新考察科学中的存在判断。他告诫我们“不必担心，一开始就重提本体论地位问题会比通过考察‘观察的’‘理论的’术语和陈述的清楚例子来探讨科学解释情况更糟。”（12）进而，夏佩尔通过对各种科学领域中信息域如何形成的历史情况的分析，指出信息域是有许多信息项联结而成的信息群。在信息域这个概念中，理论与观察是密切联系在一起的，观察与理论相互渗透。
夏佩尔放弃理论与观察的区分讨论，代之以实在论唯理主义的存在分析，构筑观察与理论的双向渗透。把观察陈述和理论结合起来构成背景知识，以此作为科学探索的基础，既克服了逻辑经验主义企图把理论还原为观察陈述的片面性，也纠正了激进历史主义者把观察陈述看做完全依赖于理论、完全由理论派生出来的缺点，人们认为这对科学哲学的发展也是有启发意义的。所以，夏佩尔的观点是有一定的合理性的，但他对观察的客观性缺乏详细而令人信服的论证，“夏佩尔构造其科学观的方式并未达到实践和辩证的水平。因而不能形成一个真正一致的、统一的合理科学模式，解释不了科学发展的辩证现象。”（13）他对观察与理论的关系的论述自然没有达到实践和辩证的水平。
2.观察渗透理论
关于观察与理论的关系问题，尽管存在着不同的观点，但从科学研究的实际进程看，“观察渗透理论”的观点显然是合理的。
（1）“观察渗透理论”提出的背景
汉森的“观察渗透理论”的提出主要针对逻辑经验主义的“中性观察”来说的。历来许多科学家论述科学理论体系时，往往强调它的感觉基础，即认为科学认识是从感觉开始（包括观察与实验），然后从中概括出概念，概念组成科学判断和推理，得出定律，再进行更高层次的概括而得出理论以至于原理，提出感觉先于理论。后来逻辑实证主义更提出，观察是绝对“中性的”，观察语言是最“公正”、“客观”的，因而是最“可靠”的，任何理论语言都必须能还原为观察语言，这才是可靠的理论；否则就是“形而上学”空谈，应该一律取消。于是他们提出观察语言和理论语言可以绝对分开的基本观点，并由此推演出逻辑经验主义的一系列观点。逻辑经验主义认为，观察语言不依赖于理论语言，即对理论语言保持中立；而理论语言则依赖观察语言通过对应规则从观察获得意义。波普尔虽然强调理论先于观察，但对他而言，观察仍然是中性的。汉森反对逻辑经验主义的这一传统观点，并用“观察渗透理论”的观点与之分庭抗礼。
（2）“观察渗透理论”的基本含义
“观察渗透理论”是汉森的整个哲学思想体系的基石，所以首先要弄清其含义。总的来说，这一理论告诉我们，观察并非对物象“刺激”的消极的机械反应，而是受观察者的理论影响和支配，使不同理论观点的人可能把同一对象观察成不同的样子，其不同的程度相应于他们相互分歧的程度，理论差异小，则观察结果的不同也小，理论如果相对立的，则可能把同一对象看成不同的东西。例如，在他的《发现的模式》的开篇中写到，假定有两位生物学家在显微镜下观察同一张已制备好的玻片，如果问他们看到了什么，他们也许会做出不同的答案，一位把面前的细胞看成一堆异物，比如是一种人为现象或者是一块由于染色技术不合适而产生的凝结物，这块凝结物与体内细胞毫无相关，而另一位生物学家则辨认出这个凝块是一个细胞器官，即“高尔基体”。那么他们的观察为什么会得出不同的结论，他作了一系列的仔细分析，最后他得出的结论就是人们在观察事物时，是受先在的理论知识和经验所影响的，这种影响就渗透在观察中，他强调这种不同并不是观察者事后对其观察对象所做的解释不同，而是渗透在观察中的，这就是他的“观察渗透理论”。
具体分析汉森的观点，“观察渗透理论”包括两层含义：其一，如果仅仅把观察理解成“看”或“感觉”，它也必然受到理论的影响，可能观察就不是中性的了。观察作为认识活动，它是由感觉材料和感觉材料的组织方式这两种因素构成。其中，感觉材料直接来自于被观察对象对感官的刺激，而感觉材料的组织方式却与主体的知识背景有关。知识背景对感觉材料的组织方式，潜移默化地渗透在人们的观察之中，是我们即使在“看”东西时也不能分离的部分。其二，科学中的观察，常常与观察的目的、观察过程的设计、观察仪器的选择、观察数据的统计和解释等内在联系在一起，而每一个环节都与特定的科学理论相关。
因此，观察之所以渗透理论，首先是因为观察不仅是接收信息的过程，同时也是加工信息的过程。人在观察过程中必然对外界的信息进行挑选、加工和翻译。这就与人的理论知识背景有关。不同的知识背景、不同的理论指导、甚至不同的生活经验，对同一事物会得出不同的观察陈述。例如，医生和普通人看同一张病人的肺部X光照片，结果将大不相同。那些重要的作为病理证据的阴影、线条，可能丝毫不被未曾受过训练的普通人所察觉，而医生有目的寻找的正是这些材料，并且可以在其理论框架内予以解释。
观察之所以渗透着理论，还因为观察陈述是用科学语言表述出来的（通过语言，来自客体的信息被编码记载下来），而科学语言总与特定的科学理论联系着。当使用语言时，理论的框架也就出现了。比如，当用波长为7000埃这个术语来表示红光时，就暗含着光谱、波长、光学测量仪、实数集等一系列概念所构成的理论框架。进行科学观察的人正是带着这类理论框架去进行观察的。
由此可见，理论在观察中既起着“定向”作用，引导观察者有选择地接收外界信息；又起着“加工改造”作用，帮助观察者理解观察到的究竟是什么。这也正如爱因斯坦所说的：“是理论决定我们能够观察到的东西”，“只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推论出基本现象”。（14）
（3）观察、实验中的客观性问题
观察及其结果的陈述渗透着理论是必然的，而观察的客观性又要求人们通过观察所获得的认识要符合事物的本来面貌，这就要求我们要以辩证的观点看待“观察渗透理论”和观察客观性的关系。
从表面上看，要做到观察的客观性，就要排除任何理论的干扰，似乎主观的东西越少，客观的东西就越多。然而，就科学认识而言，要实现观察的客观性，就必须有理论的参与，理论渗透得越广泛、越深刻，科学的观察就越客观。因为只有以正确反映客观事物本质的理论指导观察，才能真正实现观察的客观性；而以错误的、不符合实际的理论指导观察，就会带来观察的主观性和易谬性。
观察，就其是对被观察对象的反映而言，无疑具有客观性，观察报告是对观察对象的映像。但就观察对任何理论的关系而言，则绝对中立的观察是不存在的，没有纯粹的客观性。应当指出，科学家渗透在观察中的理论，主要是经过实践检验的理论，它反映着客观世界的规律性，这种理论与需要由观察材料形成或由观察验证的猜想和假说是有区别的。因此，重视观察渗透理论与强调观察、实验对科学认识的形成和发展起基础性作用，在本质上是一致的。所以，我们要坚持观察的客观性，同时要摆脱狭隘经验论和形而上学思维方式的束缚，用辩证的观点看待观察与理论的关系。正确的理论是观察客观性的保证，而观察客观性又为新理论的诞生和检验作了保证。另外，还必须强调，观察的客观性以及理论的客观性不是由个别科学家的个别观察活动所提供的，而是科学家群体在长期的科学实践和科学认识的活动中逐渐形成的。
通过观察、实验所获得的有关信息是科学研究的原始资料，对整个科研过程起着关键性作用，因此保证观察、实验的客观性在科研活动中就显得极其重要。科研活动中为了保证观察、实验的客观性应做到以下几点：
第一，观察、实验结果必须能用某种标准的方法进行重演。一般说来，人们在一次观察实验中由于诸如主体的知识水平、知识结构、主观意愿、所采用的观测方法、科学仪器和设备的选择、观察实验的环境条件、偶然失误等主客观因素的影响，获得的最终结果具有很大的或然性。为了尽可能避免由于各种偶然因素的干扰而导致的观察实验结果的不真实性，就必须使观察实验能在不同的条件下，由不同的人，有时甚至用不同的科学仪器来进行重演。因为从理论上讲，一个观察实验能被重复的次数越多，其结果的可靠性就越大，即客观性程度就越高。相反，那些不能被重复的观察实验，其结果的客观性就非常值得怀疑，就不能被大家所承认和接受。
第二，观察、实验要以正确反映客观事物本质的理论为指导。前面我们已经谈到，观察渗透理论，正因为如此，所以在观察实验过程中必须有目的、有意识地用已经被实践反复证明了的、被大家所公认的科学理论来指导。从实际情况看，这类科学理论可以提供正确的概念系统，指明正确的感知方向，能帮助研究者正确陈述所获得的科学事实，避免各种假象、错觉的干扰，从而使观察实验的结果能最大限度地反映客体的真实情况。
第三，在观察、实验中应当尽可能使用先进的观测仪器，这是保证客观性的物质基础。仪器的精确度的提高和可观测范围的扩大，在很大程度上能克服人的感官的各种局限性从而更准确地记录客体的真实状态。借助于现代技术和自动化观测系统与计算机的配合，观察实验所得到的已不是最原始的图像和数据，而是已经过计算机处理过的数据。这样，既扩大了视野，又避免了某些主观的差错。而且，观测精确度的提高和观测范围的扩大本身就和客观性紧密相关，或者说就是客观性的一种体现。
第四，在观察、实验中科学工作者要有良好的实事求是的学风，要尊重客观实际，不能依自己的主观愿望或想象对观察实验结果进行整理。严谨的科学作风是保证观察实验客观性的前提。
3.观察与理论关系的哲学思考
经验论者将观察与理论截然分开，相信经验观察是中立客观的、绝对可靠的，强调理论应建立在经验观察的基础上，否则理论就成了“无源之水，无本之木”。当近代新兴自然科学处于初始发展阶段，使观察对象比较直观，观察现象比较简单的条件下，以及出于反抗宗教神学对自然科学的干预的需要，经验主义者反对主观偏见，倡导纯粹客观的观察这种唯物主义的观点，无疑是有革命性进步意义的。但是，经验论者完全信赖感官报道的客观性，夸大了经验认识的意义。因此，经验论者对观察提供客观知识的问题，作了过于绝对的肯定。历史主义的“理论决定观察”的观点不仅对瓦解逻辑经验主义起了历史性作用，而且对于科学认识论的发展作出了重要贡献。但是历史主义者走向了另一个极端，他们看到了观察的可谬性，但由此却根本否定了观察的客观性，对于观察可提供客观知识的问题，作了十分轻率的否定。夏佩尔在批评经验论者和历史主义学派的基础上，构筑了“观察与理论双向渗透”的观点，但他对观察的客观性缺乏详细而令人信服的论证。
马克思主义的辩证唯物主义认识论是能动的唯物主义反映论，它指出，观察作为人的科学认识活动，总是对被观察客体的反映，观察报告具有客观的内容。与此同时，观察的反映过程又是具有主观能动性的，与观察者的理论素质是分不开的，所以，观察具有客观性和主观性两重性质，是客观性与主观性的统一；既不能把观察看做是不依赖于任何理论而保持客观中立的东西，也不赞成把观察看做是完全受制于某种理论的东西。对于经验论者来说，观察先于理论，科学认识始于观察，在历史主义看来理论先于观察，因为范式（高层背景理论）对观察是一种自上而下的决定关系。马克思主义哲学认为，在实践基础上发展起来的科学知识其内部始终存在着经验与理论的对立统一，它们相反相生、相辅相成，科学的发展既不单方面取决于经验，也不单方面取决于理论，而是取决于经验与理论的矛盾运动。正是经验与理论两者的对立统一，引发了科学危机和科学革命，由此推动了科学向前发展。既不能说“观察先于理论”，也不能说“理论先于观察”。
阅读文献
1.[英]卡尔·波普尔：《猜想与反驳》，傅纪重等译，上海译文出版社，2005年。
2.[美]汉森：《发现的模式》，邢新力译，中国国际广播出版社，1988年。
3.[美]库恩：《必要的张力——科学的传统和变革论文集》，纪树立等译，福建人民出版社，1981年。
4.刘大椿：《科学哲学》，人民出版社，1998年。
5.黄顺基、刘大椿：《科学的哲学反思》，中国人民大学出版社，1987年。
思考题
1.如何看待观察和实验之间的区别与联系？简述其对科学认识活动的意义。
2.结合具体的科学发现案例，谈谈你对科学实验中的机遇问题的认识。
3.结合具体的科学发现过程，谈谈你对科学理论和科学观察的关系的认识。
（1）《马克思恩格斯全集》第20卷，人民出版社1972年版，第387页。
（2）《马克思恩格斯选集》第4卷，人民出版社1995年版，第330页。
（3）[英]贝弗里奇：《科学研究的艺术》，陈捷译，科学出版社1979年版，第165页。
（4）刘大椿：《科学哲学通论》，中国人民大学出版社1998年版，第68页。
（5）林超然：《现代科学哲学教程》，浙江大学出版社1988年版，第59页。
（6）殷正坤、邱仁宗：《科学哲学引论》，华中理工大学出版社1996年版，第86页。
（7）[英]卡尔·波普尔：《猜想与反驳》，傅纪重等译，上海译文出版社2005年版，第4页。
（8）黄顺基、刘大椿：《科学的哲学反思》，中国人民大学出版社1987年版，第64页。
（9）[美]汉森：《发现的模式》，邢新力译，中国国际广播出版社1988年版，第33页。
（10）殷正坤、邱仁宗：《科学哲学引论》，华中理工大学出版社1996年版，第76页。
（11）[美]夏佩尔：《理由与求知》，褚平、周文彰译，上海译文出版社2006年版，第124页。
（12）[美]夏佩尔：《理由与求知》，褚平、周文彰译，上海译文出版社2006年版，第129～133页。
（13）舒炜光、邱仁宗：《当代西方科学哲学述评》，人民出版社1987年版，第362页。
（14）《爱因斯坦文集》第1卷，商务印书馆1976年版，第211页。